混凝土桥梁疲劳寿命与使用安全评估
2017-01-11普跃昆
普跃昆
[摘要]随着科技的发展，高强度混凝土和高强度钢筋在建筑和结构中大量采用，各种结构的应力荷载也基本处于高负荷状态，相对结构疲劳的问题就显现出来。本文总结了结合S-N曲线和miner准则对混凝土疲劳寿命进行预测的方法，系统分析了断裂力学理论基础上的疲劳剩余寿命评测，对混凝土结构疲劳寿命的评估提供了参考。
[关键词]混凝土；结构；疲劳评估
文章编号：2095-4085（2016）05-0129-02
混凝土作为高强度构件，本身就是坚固的代名词，自从混凝土发明使用直到上世纪中后叶，混凝土结构因疲劳而损坏的案例寥寥无几，而那个阶段混凝土的应力条件荷载条件也相对较低。随着科技的发展，高强度混凝土和高强度钢筋在建筑和结构中被大量采用，各种结构的应力荷载也基本处于高负荷状态，相对结构疲劳的问题就显现出来，在荷载超过混凝土容许应力强度的时候，混凝土的裂缝就会扩大，长时间处于这种状态时，混凝土结构就会受到破坏，这也是当前国内许多路段频繁维修的主要原因。可见，对混凝土疲劳进行研究，对工程修复和工程使用年限的预测具有实际意义。
1.混凝土结构桥梁疲劳寿命评测
（1）常规方法——使用s-N曲线结合Miner准则对混凝土结构桥梁疲劳寿命进行评测。该方法相对简单、应用广泛、容易使用，成为当下世界各国桥梁设计标准中评定疲劳寿命的主要依据。使用该方法需掌握两个主要节点：对结构的疲劳应力谱进行精确模拟；对细节疲劳强度进行计算。想获得主要结构部分的应力谱有两种办法，即实际测量和模拟运算。以实际测量为例，选择受测桥梁，测量24h以上的受力变化，使用雨流计数法对应力幅度进行级别归类，然后统计循环多少次，最终获得应力谱。由于测量时间较短，没有充分对过去、当前及以后的交通荷载变化进行测量统计，应力谱结果变化幅度较小。即使如此，这种分析方法仍然对桥梁疲劳寿命预测有很大的实际意义。在Miner准则中，应力变化是循环进行的，一个结构的应力变化分成无数的循环过程周而复始，1个应力周期对结构造成的损坏为1/Ni；Ni表示第i个应力水平，Si为等幅荷载条件时导致疲劳破坏需要的荷载总次数。基于线性损伤累积准则，结合S-N曲线可以得出：若干次应力荷载作用后的结构破坏D是
在以上公式中，Di表示第i轮荷载应力在Si条件的积累破坏，ni表示第i轮荷载应力的循环轮次。若Di积累破坏达到一个阈值时，该结构将产生疲劳破坏，一般情况下Di大于1后，结构就会生疲劳破坏。对目标进行随机荷载条件下的应力试验得出：结构发生破坏的破坏阈值Do在1的位置上下浮动。基于这个结论，当下世界各国桥梁设计标准中评定疲劳寿命的主要依据采用Miner准则最简单有效。疲劳积累理论当下还不够完善，其主要影响因素是疲劳的导致原因和每次荷载的条件均不相同，但由于该理论可以预测疲劳寿命的平均状态，仍然具有很大的实际参考价值，且操作简单、精确度高，因此仍然在世界各国被广泛采用。
（2）在断裂力学理论基础上的疲劳剩余寿命评测。经国内外实测试验长期总结得出，钢筋混凝桥梁结构的疲劳寿命主要是由钢筋的疲劳程度决定的，因此在随机荷载作用条件下的钢筋混凝土结构疲劳寿命可以根据主要受力钢构件的疲劳断裂寿命确定。钢筋的疲劳断裂是钢材在受力后，原材料上的细小缝隙被拉伸放大，如此反复循环，最终导致钢筋构件断裂。经研究总结，评估钢筋构件的裂缝拉伸，可以设钢筋原始裂缝的形状为半圆形，原始裂缝的深度为ao，裂缝理想状态下和钢材轴线垂直，则裂缝的拉伸可以依据Paris公式进行评估。
（3）钢构件原始裂缝深度an的评估。目前要知道钢材构件的原始裂缝深度有两种途径，当条件具备时，可以通过无损检测方法测量得出；条件不具备时，则可以通过合理假设来推算。很多情况下钢构件都与混凝土浑然一体，难以通过无损观测得到数据，所以推测运算成为当前工程界较为普遍的推测裂缝深度的方法。
2.结语
本文总结了结合S-N曲线和Miner准则对混凝土疲劳寿命进行预测的方法，系统分析了断裂力学理论基础上的疲劳剩余寿命评测，对混凝土结构疲劳寿命的评估提供了参考。
